Stiahni - Plošák

Môže zamrznúť horúca
voda skôr ako studená ?
Keď vezmete dve identické nádoby,
nalejete do jednej z nich studenú,
do druhej horúcu vodu rovnakého
objemu, očakávate, že po vložení do
mrazničky zamrzne chladnejšia voda
ako prvá. Niekedy však nastáva opačná
situácia, teplejšia voda zamrzne
skôr.
Aj keď sa zdá skutočnosť, že teplejšia
voda zamrzne skôr, neuveriteľná,
je naozaj reálna. Bola pozorovaná
náhodne, ale aj pri mnohých cielených
experimentoch uskutočnených
pre skúmanie tejto záhady. Ide o jav,
ktorý ostáva nerozlúsknutým vedeckým
orieškom už niekoľko storočí.
História jeho poznania siaha až do
4. storočia pred naším letopočtom,
z ktorého pochádza zatiaľ najstarší
známy záznam o tomto fenoméne.
Jeho autorom je Aristoteles. Tento
jav sa stáva opäť predmetom diskusií
medzi európskymi fyzikmi až po viac
ako 16 storočiach, v období stredoveku.
Informácie o ňom sa vyskytujú
aj v ďalších storočiach novoveku, a
to aj v mimoeurópskych regiónoch. V
dielach niekoľkých autorov od stredoveku
až po 17. storočie sa pojednáva
o rýchlejšie mrznúcej horúcej vode
ako o skutočnosti, ktorá je spoločnosti
všeobecne známa.
Napriek tomu, s nástupom modernejších
teórií o prenose tepla ustúpili
minulé pozorovania do úzadia na
poli vedeckých diskusií aj všeobecného
poznania. Z existenčného
tieňa sa vynárajú až po uverejnení
článku Mpembu, Osborna a Kella na
Veda a technika
konci šesťdesiatych rokov minulého
storočia. Po znovuobjaviteľovi tohto
javu tanzánijskom študentovi Erastovi
Mpembovi získal jav aj svoje pomenovanie
– Mpembov jav. Počas svojej
dlhej histórie chápanie Mpembovho
javu prechádzalo mnohými zmenami.
Menili sa podmienky, pozorovania,
formulácie a vysvetlenia, ktoré dodnes
nemajú jednotný charakter.
Čo môže podporiť Mpembov jav?
Existuje niekoľko argumentov, ktoré
podporujú možnosť takéhoto fenoménu.
Prvým je vyparovanie.
Teplejšia voda sa vyparuje viac ako
studená. Znamená to, že pri mrznutí
je jej už menej ako pôvodne chladnejšej
vody. Keďže rýchlosť tuhnutia
je nepriamo úmerná množstvu vody,
možno takto rýchlejšie zamrznutie
teplejšej vody ľahko vysvetliť.
Problém je však v tom, že jav bol pozorovaný
aj v uzavretých nádobách,
kde k vyparovaniu nedochádzalo.
Ďalším vysvetlením je prúdenie v
kvapaline. Prúdenie nastáva kvôli
zmene hustoty s teplotou. Tam, kde
vzniknú väčšie teplotné rozdiely, je
prúdenie intenzívnejšie. Pri prúdení
môže dôjsť k tomu, že teplejšia voda
je odvádzaná k povrchu a stenám nádoby,
kde je chladenie intenzívnejšie,
a teda pri výraznejšom prúdení môže
dôjsť k rýchlejšiemu chladnutiu. V
teplejšej vode sú pre väčšie prúdenie
vytvorené lepšie podmienky ako v
chladnejšej.
Mpembov jav môže podporiť aj faktor
zmeny chemického zloženia vody
pri zahriatí. Keď vodu zahrievate,
dochádza k úniku pevných látok a
plynov, ktoré ovplyvňujú teplotu tuhnutia.
Voda s väčším obsahom týchto
látok mrzne pri nižšej teplote. Ak
teda voda pri svojom zohriatí stratí
väčšinu týchto prímesí, je možné, že
zamrzne pri vyššej teplote ako voda
chladnejšia, čo, samozrejme, ovplyvní
aj čas potrebný na zamrznutie.
Príčinou Mpembovho javu môže byť
tiež vrstva ľadu, ktorá sa niekedy
vyskytuje v mrazničkách. Ľad vytvára
istú tepelnú izoláciu a nedovoľuje
také dobré odvádzanie tepla chladiču.
Nádoba s teplejšou vodou tento ľad
roztopí viac ako nádoba so studenou
vodou, čím prenikne bližšie k stenám
chladiča a je ochladzovaná viac. I
toto vysvetlenie má svoj háčik. Jav
bol pozorovaný aj v podmienkach,
kde sa žiadna vrstva ľadu v chladiči
nenachádzala.
Prečo je také ťažké vysvetliť Mpembov
jav? Pri jednoduchom pokuse
chladenia vody existuje veľký počet
parametrov, ktoré ovplyvňujú
rýchlosť chladnutia, ako aj uvedené
vysvetlenia. Tieto parametre nie sú
navzájom nezávislé, preto sa často
po zmene jedného zmenia aj mnohé
iné. Táto vzájomná prepojenosť bráni
v hľadaní pravdy o pravej príčine
Mpembovho javu. Zákonitosť tohto
javu zatiaľ nebola objavená. Niekedy
nastáva, inokedy nie. Jeho univerzálne
vysvetlenie stále čaká na svojho
objaviteľa.
Mpembov jav je okrem iného celkom
praktický jav. Rýchlejšie mrznutie
teplejšej vody sa napríklad využíva
pre rýchlejšie vyrábanie zmrzliny,
alebo rýchlejšiu tvorbu ľadovej vrstvy
na plochách zimných štadiónov. A na
záver ešte jedna rada. Neumývajte v
zime okná teplou vodou, mrzne totiž
skôr!
Tento článok špeciálne pre murgašácky
PLOŠÁK napísal Marek Balážovič,
študent fyziky na Fakulte prírodných
vied Univerzity Mateja Bela v Banskej
Bystrici.
Ak vás tento článok zaujal a tiež si
radi lámete hlavu nad rozmanitými
javmi prírody, svoje záujmy môžete
rozvíjať počas štúdia na spomínanej
univerzite.
PLOŠÁK 13